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短刀叠片将成为铁锂电池主流技术路线

日期:2022-05-24    来源:电车商业研究  作者:顾国洪

国际储能网

2022
05/24
11:51
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关键词: 电池技术 方形电池 软包电池

今年中国电动汽车百人会论坛上,亿纬锂能董事长刘金成发表了《动力电池技术方向逐渐收敛》的主题演讲,阐明了大圆柱三元和叠片铁锂将成为主流技术路线,笔者基本认同刘董事长的判断,当一个产业逐渐成熟以后,只有最优化的规格才能够成为赢家。为了更加准确理解这个趋势,笔者邀请了业内众多电池PACK顶尖专家,分五段解释了这个趋势。由于4680大圆柱的分析文章已经很多,本文着重分析叠片铁锂电池。

方形、软包、圆柱封装方式优劣对比

方形、软包、圆柱,以及它们从两头引出电极的形式,会因为不同的特点而适应不同的应用场景。

特斯拉4680大圆柱

特斯拉4680电芯本质上是对电池结构进行了创新,采用无极耳技术,去除了电池的主要发热部件从而减小了内阻,提高了电池的热稳定性。4680电芯对比原21700电芯实现了多项技术指标提升:续航里程提升16%,6倍的充放电功率、5倍的单体能量,而成本可以下降 14%。

4680 电池和高镍三元+硅基负极体系相得益彰,更适配高能量密度路线,快充性能大幅提高。由于标准化程度高,4680电池可作为一种“结构电池”,灵活运用于各车型的CTC设计,还可通过一体化压铸协同降低制造成本,实现“极限”制造。

大家已经认可特斯拉提出的D46全极耳大圆柱电芯,以后可能还会有不同的变种,虽然高硅、干法电极、补锂、高精度激光焊接和电解液浸润等问题还没有完全解决,但这只是工程问题,不大会改变大圆柱受宠的总体方向。由于大量圆柱电芯组成粘接紧密的蜂窝状结构后,可以提供优秀的总体刚度,同时还有充足的电量,这种构型将会是高档纯电动轿车的首选。

铁锂叠片方案推导

考虑到特斯拉的Model 3比较普及,而且网上也可以找到比较多的车体资料;同时公开宣布铁锂电池采取叠片工艺的企业目前只有比亚迪与蜂巢能源,本方案假设以蜂巢能源公布的短刀叠片铁锂电池,同时参考比亚迪刀片电池装入特斯拉Model 3进行一个推导。

根据网上对特斯拉Model 3铁锂版的拆解信息,电池包大致在长2148mm宽1444 mm高120/355mm的尺寸范围内。

在2019的上海车展上,蜂巢能源首次推出采用叠片工艺的短刀铁锂电芯。目前,蜂巢能源已推出电芯长度从340mm到574mm的短刀电芯,适配多个电动车品类。其中应用最广泛的L6尺寸为长574mm宽21.8mm高118mm。

由此可见,蜂巢短刀电芯仅占用的Z方向尺寸就达到118mm了,参考特斯拉Model 3的尺寸分配,120-80=40mm,这只是用于安排导电排、上下壳和预留磕底变形空间的,Model 3的液冷管还是在电芯之间,占用XY方向空间,不占Z向空间的。

所以推算用蜂巢能源短刀电芯做成Pack的厚度为118+40-3(Busbar)+6(单层液冷版)=161mm!看来更适合用于长城的优势产品——SUV了。

参考一下比亚迪汉EV电池包的尺寸:长2408mm宽1210mm高238mm, 最高点为238mm,最低点只有110mm,后部两层电池叠放后高度为210mm,可见其Z方向电芯以外的总高度仅有110-90=20mm。这还包括了液冷系统和上下壳的厚度,可见基本没有任何空余的空间了。那么短刀电池包的总高度可以做成118+20=138mm,基本上还是SUV、MPV才能接受的高度了!

乘用车X方向,给电池包预留的宽度大约在1300~1400mm左右,如果用比亚迪当前尺寸为长960mm宽90mm高13.5mm的刀片电池,会导致空间利用率较差,如果换成长度600mm的蜂巢短刀,布置两个后接近1200mm,可以有效提高空间利用率。比亚迪计划的下一代刀片电池尺寸长580mm宽120mm高17.9mm,由长刀向短刀过渡,用来兼容更多的乘用车辆,也正是这个布置思路。所以电池长度最好控制在600mm这个范围内,电池变短了,卷芯入壳的工艺难度降低了,电池包空间利用率变高了,正是刀片电池发展的趋势。

可见,要装上轿车,短刀电池包的高度应≤100mm,至于蜂巢为何选择现在这个尺寸,我猜测这是蜂巢能源/长城汽车的特殊战略,集中力量发力在自己擅长,而友商销量一般的SUV产品上,待到SUV市场上站稳脚跟后,再推出新的短刀电芯适配轿车。

四,改善工艺提升能量密度

2020年9月20日在特斯拉电池日上,马斯克公布其长续航车型电池4680将要采用的几种核心工艺,其中干法电极技术来源于2019年5月特斯拉对Maxwell Technology的收购。

在蜂巢能源善用的叠片工艺体系下,也可以比较容易的把原材料体系下电池性能进行提升:

提高面密度是电池能量密度提高的关键,采用干法工艺制造电极,制造正极和负极极片均可以应用。

提高面密度对比理论值与实际值,数据来源于清华大学锂离子电池实验室

应用干法工艺生产的磷酸铁锂极片

1、应用新型负极材料软碳提高充放电倍率,适用800V平台及快充的趋势;

2、采用负极预锂化工艺,提升电池循环寿命;

3、采用干法工艺节约了制造成本,并提高单位厂房面积的产值。

电池技术的不断提升,给整包设计提供了综合改善的空间,为车型设计带来诸多好处,也有助于后期增加智能硬件,并让电动车的销售适应更广泛的气候条件。

根据实验室数据,短刀采用干法电极工艺,可以在干电极与集流体复合阶段实现电极片之间的微米级别准确对齐,可以大幅提升叠片生产成品率。更为主要的是使用干法预锂化技术可以显著提升电池性能如能量密度和首圈效率,负极端预锂化的首效已经达到122%,预锂化之后的单体电池有着更高的锂离子浓度和更小的内阻,非常有利于循环性能的提升。同时干法极片比湿法涂覆极片有着更高的压实密度,也保证了电池体积能量密度15%以上的大幅提升。

在系统层面,也可以采用非常规的排列方法来增加车辆底盘布置电池的可用面积:将Pack下箱体隔间做成类似倒下的“目”字形,中部也许可以向外多伸出一组(Pack主体长度1.8/2.4米),电芯长度方向为行车X方向,这样在侧梁处就不需要预留太多变形空间,利用电池本身来提供侧面柱碰强度和少量变形。

工艺改善的蜂巢短刀铁锂电池大致发展方向

1、蜂巢能源现有的短刀铁锂电芯搭载在SUV上,结合CTP技术,逐步提升能量密度(搭配干法工艺与预补锂技术),可以覆盖工况续航450-650公里,实际行驶350-520公里的绝大部分需求。

2、轿车的800V电压平台建议采用574*16.5-21.5*92-102mm的电芯尺寸,结合CTP技术,并沿车辆长度方向排布,这样车辆续航里程将有所增加,实现超越同行的超级快充、支持“Chaoji”充电标准、提升赛道跑圈性能,通过下场比赛,可以帮助车企像比亚迪汉EV一样一炮而红!

3、轿车400V电压平台下的大容量PHEV的电驱动200公里续航版,也可以采用574*16.5-21.5*92-102mm的电芯尺寸,大容量的PHEV将是一个大市场。

4、对于运营车型使用叠片铁锂,我们认为采用干法工艺可以提升目前市场车型续航里程,又可以提升寿命,运营效率提高,且降低了电池的反复成本投入。

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